土石壩漫頂潰決模式與潰壩參數(shù)預測

羅 優(yōu),陳 立,平妍容,周 敏

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院,江蘇揚州 225127；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,武漢 430072)

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土石壩漫頂潰決模式與潰壩參數(shù)預測

羅 優(yōu)1,2,陳 立2,平妍容2,周 敏2

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院,江蘇揚州 225127；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,武漢 430072)

摘 要：利用黏土和黃砂混合配制試驗筑壩材料,開展水槽試驗,模擬均質(zhì)土石壩漫頂破壞過程,研究潰壩模式對潰壩參數(shù)的影響。試驗中觀測到3種漫頂破壞模式:陡坎蝕退沖刷潰決模式（M1)、剪切蝕退坍塌潰決模式（M2)和浸泡剝蝕破壞模式（M3)。相同庫容和壩高條件下,不同模式最大潰決流量差異較大:Qp（M2)＞Qp（M1,M3)；定義水流開始漫頂至水庫內(nèi)庫存水流構(gòu)成漫壩破壞的主要動力源的時間為漫頂臨界時間TC,則TC（M2)＜TC（M1)＜TC（M3)。潰壩模式反映了漫頂流量、初始潰口、壩高和筑壩材料等因素對漫頂潰決的綜合影響,是除壩高、庫容外潰壩參數(shù)預測的重要影響因子。

關(guān)鍵詞：土石壩；漫頂潰決；破壞模式；潰決參數(shù)；災害評估

2016,33（02):38-41,47

1 研究背景

近百年來壩體潰決災害頻繁,對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的威脅［1-2］,壩體危害程度評估至關(guān)重要。壩體破壞方式、庫容、壩高等不同,潰壩造成的危害程度不同。土石壩潰壩主要包括漫頂沖潰、管涌沖潰2種方式,壩體基礎缺陷、地震和河道改道也是造成大量土石壩潰決的重要原因［3］。土石壩漫頂潰決屬于逐漸潰決,潰決過程受到漫頂水流、筑壩材料和壩體結(jié)構(gòu)形式等多方面因素的影響［4-6］。漫頂水流從上游到下游可分為3個區(qū)［7］:緩流區(qū)、臨界流區(qū)和急流區(qū)；漫頂水流切應力在空間上不是均勻分布的,在壩肩和壩址附近出現(xiàn)極大值,沿著壩坡逐漸增大,漫頂破壞起始位置一般在臨界流區(qū)或者急流區(qū)。黏性土石壩和無黏性散體沙壩潰決過程具有明顯的差異:陡坎沖刷或多級陡坎沖刷是黏性土石壩重要壩體沖刷方式,土石壩的分層壓實導致的壓實度的差異、初始挑流落地點、初始沖坑的存在是造成多級陡坎形成的重要原因［8］。散體沙壩壩坡在漫頂水流的淘刷作用下發(fā)生沿程侵蝕,壩背以一定坡度沿程蝕退［9］,當散體沙粒徑較小時,材料假黏性（基質(zhì)吸力)是影響潰決過程和潰決時間的重要因素［10］。

土石壩漫頂潰決危害程度與預警時間和潰壩流量大小密切相關(guān),后兩者受庫容、壩高和破壞方式等因素的綜合影響。本文開展均質(zhì)土石壩漫頂破壞試驗,研究土石壩漫頂潰決流量和時間影響因素及規(guī)律。

2 試驗簡介

試驗循環(huán)系統(tǒng)由蓄水池、水泵、電磁流量計、水槽等構(gòu)成。試驗水槽（圖1)長約15 m、寬1 m、深0.8 m,水槽底坡為0,水槽入口處設有靜水柵,用于平穩(wěn)水流及減小波動,靜水柵前為水庫。

圖1 潰壩試驗水槽布置Fig.1 Layout of water tank used for dam burst experiment

試驗筑壩材料利用砂土混合配制,黃砂粒徑范圍0～2 mm,中值粒徑0～5 mm,屬于不良級配砂；黏土塑限在22.02%～23.06%之間,液限在42.58%～43.49%之間,塑性指數(shù)約為21%。

考慮到壩頂?shù)拖莼蛘邏雾敳牧暇植坷匣奈恢迷谒髀敍_刷后容易形成“初始潰口”,初始潰口具有一定的束水作用,增加局部位置水流沖刷能力,因此在試驗壩頂中央開挖初始潰口；筑壩材料強度決定了壩體抗侵蝕抗破壞的能力,因此試驗筑壩要合理控制材料干密度、含水率和級配等參數(shù)；漫頂流量和壩高反映了洪水的破壞能力,是漫頂破壞的重要影響因素。試驗參數(shù)見表1,共26組試驗。其中壩體壩坡坡度1∶1,初始潰口為矩形,位于壩頂中央,寬度為5 cm。

表1 試驗控制參數(shù)和潰決模式Table 1 Experimental parameters and breach modes

表1中:S為含土量（黏土占黃砂和黏土混合筑壩材料的砂土比重)；ρ為干密度；W為含水率；BT為壩頂寬；HEM為壩高；QJ為進口流量；HV為初始潰口深度。根據(jù)漫頂破壞過程中不同壩體破壞類型及其耦合方式將漫頂破壞劃分為陡坎蝕退沖刷潰決模式（M1)、剪切蝕退坍塌潰決模式（M2)和浸泡剝蝕破壞模式（M3),見文獻［11］,不同組次破壞模式見表1。

3 試驗現(xiàn)象分析

3.1 漫頂破壞類型

試驗中觀測到沿程沖刷、陡坎沖刷和坍塌等主要壩體破壞類型。

（1)沿程沖刷是筑壩材料在平行于壩體表面方向上水流剪切應力作用下脫離壩體而被攜帶走的過程,沿程沖刷分為浸泡剝蝕和快速剪切侵蝕:筑壩材料強度相對于水流剪切應力較大的情況下,沿程侵蝕表現(xiàn)為浸泡剝蝕——筑壩材料在水流浸泡作用下強度減弱到一定程度時被水流剝離并被攜帶走的過程,浸泡過程使得漫頂沖刷發(fā)展緩慢；在材料強度相對較小的情況下,沿程侵蝕表現(xiàn)為快速剪切侵蝕——筑壩材料在水流下剪切作用下呈層狀移動的過程。

（2)陡坎沖刷過程:壩坡被沖刷成一個基本垂直的坡面,漫頂水流在壩肩處突然向下跌落。壩坡下部沖刷而上部坍塌交替發(fā)展導致陡坎不斷向上游移動的過程即為陡坎蝕退過程。圖2為壩坡陡坎蝕退過程,因初始潰口的存在,壩坡以“凹形”方式蝕退。

圖2 “凹形”陡坎蝕退Fig.2 Erosion of concave scarp

圖3 M2潰口發(fā)展過程Fig.3 Breach process of mode 2

3.2 漫頂破壞模式

M1潰口形成階段壩坡以陡坎沖刷方式溯源蝕退,發(fā)展階段潰口受水流沖刷而逐漸展寬和下切。

M2潰口形成階段壩坡發(fā)生快速剪切侵蝕,壩肩快速向上游蝕退,發(fā)展階段潰口兩側(cè)壩體因失穩(wěn)坍塌而突變展寬（圖3)。

M3典型破壞過程如圖4所示:壩坡處形成沖溝（從開始漫頂起5 s后),初始潰口展寬,壩坡處形成多條沖溝（從開始漫頂起135 s后),壩坡和壩頂發(fā)生浸泡剝蝕（從開始漫頂起540 s后),整個破壞過程為漫頂水流浸泡剝蝕筑壩材料的過程,破壞發(fā)展緩慢。

圖4 M3漫頂剝蝕破壞過程Fig.4 Process of overtopping erosion of mode 3

4 最大潰決流量

影響土石壩最大潰決流量的因素較多,現(xiàn)有研究主要考慮了壩高和庫容。最大潰決流量的預測經(jīng)驗公式形式為QP＝aVbwHcw［12-13］。式中:Vw為庫容；Hw為潰口內(nèi)水深；a,b,c為系數(shù)。不同模式壩體破壞方式及其耦合方式不同,相同壩高和庫容條件下Qp差異較大,如圖5所示:Qp與壩高的關(guān)系數(shù)據(jù)點在圖中具有明顯的分區(qū)現(xiàn)象,相同壩高（庫容亦相同)條件下Qp（M2)＞Qp（M1,M3)。

圖5 不同模式Qp對比Fig.5 Qpin different breach modes

破壞模式反映了進口流量、初始潰口和筑壩材料等多個因素對潰決過程和潰決流量的綜合影響,利用形式為QP＝aVbwHcw經(jīng)驗公式對不同破壞模式的試驗數(shù)據(jù)進行經(jīng)驗公式系數(shù)擬合,擬合結(jié)果表明不同破壞模式的經(jīng)驗公式系數(shù)的差異明顯,其中QP（M1,M3)＝0.03V0.63H0.62,Q（M2)＝wwP0.47V0w.26H1w.71,擬合公式計算值與實測值對比見圖6。

圖6 Qp計算值與實測值對比Fig.6 Comparison of measured and calculated results of Qp

本文經(jīng)驗公式以及前人形式為QP＝aVbwHcw的經(jīng)驗公式系數(shù)見表2。表中系數(shù)a相差較大,前人通過調(diào)整系數(shù)a來估算最大潰決流量的范圍（Qmin和Qmax)；而本文M1,M3和M2經(jīng)驗公式主要差別也在系數(shù)a,與前人簡單調(diào)整系數(shù)a確定Qmin和Qmax相比意義更明確,是考慮潰決模式不同產(chǎn)生的結(jié)果；M2相對于M1和M3破壞持續(xù)時間短,因而庫容的影響相對較小、壩高影響相對較大,則系數(shù)b較小,而系數(shù)c較大。

表2 經(jīng)驗公式系數(shù)對比Table 2 Comparison of coefficients in empirical formulas

5 漫頂潰決臨界時間

土石壩漫頂潰決時間是潰決重要參數(shù),受到廣泛關(guān)注［19］,然而目前沒有關(guān)于臨界時間的概念。將漫頂流量與進口流量的比值定義為構(gòu)成比,典型流量過程中潰口形成階段構(gòu)成比≤1,潰口發(fā)展階段構(gòu)成比遠大于1,即水庫內(nèi)庫存水流構(gòu)成了壩體破壞的主要動力源,水庫內(nèi)水流勢能開始成為破壞沖刷的主要動力意味著壩體破壞不需要進口流量也能繼續(xù)發(fā)展,因此可以定義構(gòu)成比突然增加的位置為潰口形成和發(fā)展階段的臨界點。一般壩體潰決過程中構(gòu)成比變化過程如圖7所示。

圖7 漫頂流量構(gòu)成比變化過程Fig.7 Variation of ratio of overtopping flow to inlet flow with time

根據(jù)破壞臨界點的定義,把壩體由漫頂沖刷開始到達破壞臨界點的時間（潰口形成時間)定義為臨界時間TC,臨界時間即為潰口形成時間。M1和M2臨界時間和潰口發(fā)展時間TF如圖8所示。大致有如下關(guān)系:TC（M2)＜TC（M1)。

M3無潰口發(fā)展過程,因而認為TC（M3)趨于無窮大,因此認為TC（M2)＜TC（M1)＜TC（M3),臨界時間越長,預警時間將越多,壩體潰決造成的危害程度越小。

圖8 M1和M2臨界時間和潰口發(fā)展時間Fig.8 Critical time and time of breach development for M1 and M2

土石壩潰決臨界時間越短（則預警時間越短),潰決流量越大,則潰壩洪水對下游造成的危害程度越大,而二者都與漫頂潰決模式有關(guān)。而當壩體較高,庫容大而以M2潰決時造成的危害較大；當壩體較低、庫容較小而以M3潰決時造成的危害較小,因此需要結(jié)合壩高、庫容和可能發(fā)生的漫頂潰決模式對壩體漫頂破壞危害進行初步分析。

6 結(jié) 語

土石壩漫頂破壞分為陡坎蝕退沖刷潰決模式、剪切蝕退坍塌潰決模式和浸泡剝蝕破壞模式,最大潰決流量和漫頂破壞臨界時間都與漫頂破壞模式密切相關(guān),在一定程度上潰決模式反映了初始潰口、漫頂流量和筑壩材料等因素對漫頂破壞過程的綜合影響。因此,不同潰決模式的判別,對于潰決時間、最大潰決流量預測以及漫頂潰決危害程度的評估具有重要意義。

致 謝：試驗工作是在武漢大學完成的，泥沙實驗室研究生陶銘、段濤、黃杰、郝婕妤、徐敏和余道乾師傅及其夫人等承擔了大量試驗工作，謹致謝意。

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（編輯:劉運飛)

Impact of Overtopping Breach Mode on Dam-break Parameters of Homogeneous Earth-rock Dams

LUO You1, 2, CHEN Li2, PING Yan-rong2, ZHOU Min2
（1.School of Hydraulic , Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract:In order to simulate overtopping breach of homogeneous earth-rock dams, we carried out experiment in water tank using sand and clay to make mixed materials for dam, and discussed the impact of overtopping breach mode on dam-break parameters. We divided the overtopping breach modes into three kinds: erosion and scour of scarp（M1), erosion and collapse of shear（M2) and erosion and collapse of soak（M3). In the presence of given capacity of reservoir and dam height, maximum breach discharges（Qp) of different modes are obviously unequal, and Qpof M2 is the biggest. Breach Critical time（TC) is referred to as the time from the beginning of overtopping to the developing of breach, and TCof M2 is the smallest, followed by that of M1 and M3. Breach mode depicts the effects of overtopping flow, initial breach, dam height and dam materials on dam-break process. Besides dam height and capacity of reservoir, breach mode is another important factor for dam-break prediction and disaster assessment.

Key words:earth-rock dam；overtopping breach；breach mode；parameters of breach；disaster assessment

作者簡介：羅 優(yōu)（1985-),男,江西大余人,工程師,博士,主要從事水沙災害、河流地貌演變方面的研究,（電話)18179128016（電子信箱) youluo@ whu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目（10932012,51409132)

收稿日期：2014-09-17 ;修回日期：2014-11-07

doi:10.11988/ ckyyb.20140806

中圖分類號：TV8

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)02-0038-04